Неметаллы: свойства и классификация

Свойства и классификация неметаллов

Неметаллы образуют сравнительно небольшую, но принципиально важную группу химических элементов. Их свойства во многом противоположны металлическим, а разнообразие форм и соединений делает эти элементы основой как живой природы, так и множества технических материалов. Ниже последовательно рассмотрены строение, классификация, а также физические и химические характеристики неметаллов.

Строение и общая характеристика

Всего к неметаллам относят 22 элемента — существенно меньше, чем к металлам. Определяющим признаком служит электронное строение: на внешнем энергетическом уровне атомов неметаллов расположено больше электронов, чем у металлов. Следствием этого становятся две характерные особенности:

• склонность присоединять дополнительные электроны и, как результат, высокая окислительная активность;
• способность образовывать ковалентные связи с другими неметаллами, обусловленная высокой энергией ионизации.

По агрегатному состоянию в свободном виде элементы распределяются следующим образом. В газообразной форме существуют фтор, водород, кислород, хлор, азот и инертные газы. Единственным жидким при комнатной температуре является бром. К твёрдым относятся сера, селен, йод, астат, мышьяк, теллур, углерод, кремний и бор.

С точки зрения распространённости наиболее часто встречаются кремний, водород и кислород, а к числу редких относят селен, йод, мышьяк и теллур. В природе сера, азот и кислород могут находиться в виде простых веществ молекулярного строения, однако чаще неметаллы пребывают в связанном состоянии — в составе воды, фосфатов, силикатов, боратов, а также горных пород и минералов.

Явление аллотропии

Ряду неметаллов свойственна аллотропия. Показательным примером служит кислород, для которого характерны две формы — кислород и озон. Ещё большее многообразие демонстрирует твёрдый углерод: алмаз, графит, графен, фуллерены, углеродные наноструктуры, стеклоуглерод, металлический и аморфный углерод. Важно отметить, что отдельные аллотропные модификации способны проявлять физические свойства, присущие металлам.

Классификация неметаллов

Неметаллы подразделяют на 2–7 подклассов. В терминах периодической системы принято выделять четыре основные группы.

1. Металлоиды — химически слабые неметаллические элементы.
2. Благородные газы — относительно инертные элементы.
3. Галогены — химически сильные неметаллы: йод, фтор, хлор, бром.
4. Неклассифицированные неметаллы — углерод, водород, кислород, азот.

Благородные газы

В эту группу входят гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радиоактивный радон. Название отражает их сравнительно низкую химическую активность. Все они бесцветны, лишены запаха и не поддерживают горение.

Галогены

Несмотря на то что галогены являются коррозионно-активными элементами, они входят в состав вполне безвредных соединений — например, поваренной соли. По химической активности галогены сопоставимы со щелочными металлами.

Неклассифицированные неметаллы

К данной группе относят бесцветные углерод, кислород и азот, элементы с металлоподобными формами — углерод, фосфор и селен, а также жёлтую серу.

Металлоиды

К металлоидам (полуметаллам) причисляют кремний, бор, германий, сурьму, теллур и мышьяк. Эти элементы хрупки и плохо проводят тепло и электричество. Среди всех неметаллов полуметаллы обладают наименьшими значениями энергии ионизации, а в химическом отношении ведут себя как слабые металлы. Существенное практическое значение имеет их способность образовывать сплавы с металлами, улучшая отдельные характеристики последних.

Извлекают неметаллы в сыром виде из жидкого воздуха, рассолов, руды, полезных ископаемых и природного газа.

Физические свойства

Строение простых веществ-неметаллов определяет их агрегатное состояние. По типу структуры различают две категории.

Вещества с молекулярным строением:

• летучие бесцветные газы — кислород и водород;
• окрашенные газы — хлор и фтор;
• твёрдые, но хрупкие вещества с низкой температурой плавления — сера, белый фосфор, кристаллы йода.

Вещества с немолекулярным строением:

• твёрдые вещества с высокой температурой плавления — красный фосфор, кремний, алмаз, графит.

Большинство неметаллов относится к плохим проводникам тепла и электричества. Исключением выступает графит — одна из модификаций углерода.

Химические свойства

Неметаллы полиморфны, поэтому в зависимости от типа реакции они проявляют либо восстановительные, либо окислительные свойства. Единственное исключение — фтор, который всегда выступает окислителем.

Взаимодействие с металлами. В реакциях с металлами неметаллы проявляют окислительные свойства: они принимают электроны, образуя отрицательно заряженные частицы.

Ca + Cl₂ = CaCl₂

Ca + O₂ = CaO₂

Взаимодействие с водородом. В подобные реакции вступают почти все неметаллы, за исключением благородных газов. Их результатом становится образование летучих водородных соединений.

Cl₂ + H₂ = 2HCl

C + 2H₂ = CH₄

Взаимодействие с кислородом. При реакциях с кислородом образуются кислотные либо несолеобразующие оксиды.

S + O₂ = SO₂

4P + 5O₂ = 2P₂O₅

При этом реакции с кислотами и водой для неметаллов в целом не характерны.

Таким образом, неметаллы предстают как немногочисленная, но исключительно разнообразная группа элементов. Особое электронное строение атома определяет их окислительную активность и склонность к ковалентным связям, а деление на металлоиды, благородные газы, галогены и неклассифицированные неметаллы упорядочивает всё это многообразие. Совокупность физических характеристик — от агрегатного состояния до электропроводности — и химического поведения в реакциях с металлами, водородом и кислородом формирует целостное представление о природе этих элементов.